1. ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА
ПРОИЗВОДСТВА
1.1. Понятие о производственном процессе
Под производственным процессом понимают изготовление из исходного материала и полуфабрикатов готового изделия. Следовательно, он включает в себя все многообразие вопросов, которые необходимо решить при производстве любого изделия от самого простого до самого сложного.
Производственный процесс охватывает:
– организацию и управление производственным процессом;
– подготовку средств производства в зависимости от его типа, сложности изготавливаемого изделия, объема производственной программы и других факторов;
– организацию и обслуживание рабочих мест, включающее рациональное размещение станков и оборудования, их настройку, снабжение заготовками, инструментом, и т.д.;
– получение, складирование и хранение материалов, изделий и полуфабрикатов, наличие достоверных данных об остатках, необходимых материалах, инструментах, полуфабрикатах и т.п. во времени и по отдельным производствам и цехам;
– проектирование и изготовление необходимых приспособлений и особых видов инструмента;
– подготовка рабочих необходимого уровня квалификации;
– изготовление деталей с требуемой для данного изделия точностью и чистотой поверхностей;
– технический контроль деталей и узлов на всех стадиях производства;
– сборку машин и изделий, проведение необходимых типовых и приемо-сдаточных испытаний;
– все виды транспортировки внутри участков, цехов, межцеховые и другие перевозки, а при необходимости и доставку готового изделия потребителю;
– ремонт станков и производственного оборудования;
– обеспечение необходимых условий труда, соблюдение правил техники безопасности и многие другие виды работ, без которых немыслимо нормальное функционирование любого производства.
1.2. Понятие о технологическом процессе
Слово «технология» образовано из двух греческих слов «технос» ‑ мастерство и «логос» – учение, т.е. это наука о процессах производства изделий и необходимых для этого технических средствах. Процесс изготовления изделий состоит из комплекса работ, необходимых для подготовки исходных материалов производства заготовок, их обработки и получения деталей нужной точности по размерам и требуемой чистоте поверхностей, сборки из этих деталей узлов, а из узлов готовых изделий.
Таким образом, под технологическим процессом
понимают часть производственного процесса, направленного на изменение формы, размеров, свойств материалов и полуфабрикатов для получения детали или изделия в соответствии с заданными техническими требованиями. Установка деталей на станки, их снятие, производство контрольных замеров и испытаний, транспортировка и хранение и т.д. не могут быть отделены от технологического процесса и составляют его часть.
Любой технологический процесс разбивается на отдельные операции. Технологической операцией
называют часть технологического процесса, выполняемого на одном рабочем месте и охватывающего все последовательные действия рабочего и станка при данном цикле обработке детали. Технологическая операция является основной частью технологического процесса; по параметрам операций определяется трудоемкость всего процесса, расход материалов, время, необходимое число рабочих, станков, приспособлений, инструмента и многое другое.
Вспомогательные операции
включают транспортировку деталей, чистку, маркировку, испытания, складирование, хранение и многие другие работы.
Технологический переход
– законченная часть технологической операции, характеризуемая постоянством применяемого инструмента, образуемых данной обработкой поверхностей и режимами работы станка. При обработке разных поверхностей с одинаковыми режимами резания или одной поверхности с разными режимами снятия материала имеем различные технологические переходы.
Вспомогательный переход
– законченная часть технологической операции, состоящая из действий человека и оборудования, которые не изменяют формы, размеров детали, чистоты поверхности, но необходимы для выполнения технологического процесса. К ним относятся, например, установка заготовки, смена инструмента, подстройка станка, переход на другую поверхность и т.д.
Рабочий ход
– законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, качества поверхности или свойств заготовки.
Вспомогательный ход
– однократное перемещение инструмента относительно заготовки, не сопровождаемое изменением свойств заготовки, но необходимое для выполнения рабочего хода.
Установ
– часть операции, выполняемая при одном закреплении заготовки на станке или нескольких заготовок, одновременно обрабатываемых в специальном приспособлении.
Позиция
– каждое отдельное положение заготовки, занимаемое ею относительно станка при неизменном ее закреплении (установе). Особенно наглядно видна у обрабатывающих центров, когда заготовка в дискретном режиме поворачивается относительно обрабатывающего инструмента перед каждым рабочим ходом.
Прием
– законченная совокупность движений рабочего в процессе выполнения технологической операции.
1.3. Характеристика типов производства
1.3.1. Классификация производств
По общепринятой классификации различают массовое, серийное и единичное производство, а также два метода работы поточный и не поточный. Для их характеристики вводится коэффициент закрепления операций КЗО
= О/Р. Это есть отношение числа всех производимых технологических операций О к числу рабочих мест Р, на которых эти операции выполняются.
В зависимости от количества изделий в партии и значения коэффициента закрепления операций КЗ.О.
различают:
‑ массовое производство, обычно поточное, КЗО
= 1;
‑ крупносерийное производство КЗО
= 1 ‑ 10;
‑ среднесерийное производство КЗО
= 10 ‑ 20;
‑ мелкосерийное производство КЗО
= 20 ‑ 40;
‑ единичное производство КЗО
> 40.
1.3.2. Массовое производство
Массовое производство характеризуется узкой номенклатурой и большим объемом выпуска изделий, непрерывно изготавливаемых в течение продолжительного времени. При массовом производстве, которое обычно является поточным, на рабочем месте выполняется только одна технологическая операция, КЗО
= 1. Такой коэффициент закрепления операций предполагает установку специализированного оборудования, выполняющее только заданную технологическую операцию, но имеющее высокую производительность. Это определяет как достоинства, так и недостатки массового поточного производства.
Высокопроизводительное специализированное оборудование позволяет достигать высокой производительности, но в силу большой стоимости средств производства и ограниченности их функциональных возможностей существенно затрудняет переход на изготовление других видов продукции. Сложность перехода на другие виды технологических процессов и даже изменений в уже отработанном технологическом процессе ведет к торможению развития производства. Выходом могут быть гибкие автоматизированные производства (ГАП), которые все шире применяются в промышленном производстве.
Оборудование располагается по ходу технологического процесса в виде поточных линий. Длительность операций при поточном методе производства на всех рабочих местах одинакова и соответствует заданной производительности.
Такт выпуска
‑ интервал времени, через который периодически производится выпуск изделий, для всех рабочих мест, должен быть один и тот же. Это требует расчленения технологического процесса на операции одинаковой длительности или дублирования рабочих мест и оборудования для получения необходимой производительности и требуемой кратности времени технологической операции такту выпуска. Во избежание перебоев в работе поточной линии на рабочих местах создаются заделы (запасы) заготовок для деталей. Заделы обеспечивают непрерывность выпуска продукции в случае краткой остановки отдельного оборудования. Массовое производство называют иногда поточно-массовым.
Поточные линии могут быть комплексными. На таких линиях выполняют технологические операции разных видов. В производстве электрических машин это может быть сочетание механической обработки, укладки обмоток, пропитки, сборки, пайки, окраски, контроля качества продукции.
1.3.3. Серийное производство
Серийное производство по сравнению с массовым характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготавливаемых периодически повторяющимися партиями, которые имеют сравнительно большой объем выпускаемых изделий. В зависимости от объема выпускаемых партий изделий меняется коэффициент закрепления операций, количество поточных линий и применяемых специализированных станков и оборудования. Различают три вида серийного производства.
В крупносерийном производстве
широко применяется оборудование специального назначения и агрегатные станки. Оборудование распределяют согласно требованиям технологического процесса и часто организуют поточные линии для изготовления узлов и полуфабрикатов. Коэффициент закрепления операций в данном виде серийного производства колеблется от 1 до 10.
Крупносерийное производство является в настоящее время наиболее распространенным видом производства. Оно позволяет выпускать большое количество изделий при высокой производительности труда. Однако ему в большой степени присущи недостатки массового производства в части трудностей перестройки технологического процесса.
Среднесерийное производство
организуется для запуска в производство партий изделий, объемом от нескольких десятков до сотен машин в зависимости от их сложности и материалоемкости. Среднесерийное производство предполагает периодическое повторение выпуска партий данного изделия, поэтому сохраняются длительное время все технологические процессы. В связи с все более широким применением ГАП этот вид производства начинает играть более заметную роль при изготовлении модификаций различных изделий: универсальных и исполнительных двигателей, реле различных типов, бытовой техники и т.п. Коэффициент закрепления операций в данном виде серийного производства колеблется от 10 до 20.
Мелкосерийное производство
по своим технологическим особенностям приближается к единичному производству. Партии изготовляемых изделий не превышают одного или нескольких десятков штук. Обычно их производство не повторяется. К изделиям такого вида можно отнести гидрогенераторы для конкретной ГЭС, изготавливаемые в количестве от 8 до 20 штук, турбодвигатели большой мощности, некоторые виды автомобилей и самолетов и т.п. Коэффициент закрепления операций в мелкосерийном производстве колеблется от 20 до 40, что предопределяет использование универсальных станков, высокую квалификацию рабочих, возможность быстрой реорганизации технологического процесса при запуске в производство изделий аналогичного типа.
1.3.4. Единичное производство
Единичное производство характеризуется широкой номенклатурой изготовляемых изделий и малым объемом выпуска, обычно несколько единиц изделия. Для единичного производства КЗО
> 40. Характерным признаком единичного производства является выполнение на рабочих местах самых разнообразных технологических операций. Продукция единичного производства – машины, выпускаемые по индивидуальным заказам, морские суда, самолеты, электрические машины сверхвысокой мощности и напряжения. К ним относятся так же опытные образцы машин и изделий. При единичном производстве используют универсальное оборудование, универсальные рабочие и измерительные инструменты. Квалификация рабочих должна быть высокой, обычно это рабочие, в совершенстве владеющие несколькими профессиями.
1.3.5. Методы организации производства
Как указывалось выше, различают два метода организации производства поточный и не поточный
. При любом типе производства стремятся организовать работу по поточному методу, который обеспечивает значительное сокращение длительности технологического цикла, межоперационных заделов, снижение трудоемкости и себестоимости продукции, упрощение управления всеми сторонами производства. При поточных методах работы уменьшаются оборотные фонды.
Особенностью поточного метода работы является одинаковое время производства каждой технологической операции на каждом рабочем месте. Это время называют тактом выпуска
. Если для какой-либо технологической операции время технологического цикла не совпадает с тактом выпуска, то для нее производят распараллеливание поточной линии так, чтобы такт выпуска был кратен времени технологического цикла. Во многих случаях для выпуска отдельных узлов организуют собственные поточные линии, что позволяет разделить технологические процессы со значительной разницей в длительности технологических циклов. Разновидностью поточного метода является организация конвейера, в котором поточные линии объединены в единую систему. Конвейеры бывают непрерывного или дискретного действия.
Достоинствами поточного метода работы являются определенное время длительности каждой технологической операции и выхода готового изделия, возможность использования менее квалифицированной рабочей силы, уменьшение оплаты труда и себестоимости изделия, улучшение условий контроля за каждой технологической операцией, повышение производительности труда за счет применения специализированного оборудования, упрощение планирования поставок материалов, инструментов и полуфабрикатов, энергетических и других ресурсов.
К недостаткам поточного метода работы следует отнести монотонность и однообразие труда рабочего, необходимость подмены рабочего в экстренных и бытовых случаях, вынужденный простой рабочих и оборудования в случае выхода из строя одного элемента поточной линии. Самым большим недостатком поточного производства является сложность его перестройки. Даже малейшее изменение модификации изделия или какого-либо технологического процесса требует остановки всей линии, что связано с большими производственными потерями. Если же речь идет о запуске в производство нового изделия, то это требует длительной остановки всего производства. Предприятие фактически закрывается на несколько месяцев, а иногда и больше года, теряет наработанные связи с поставщиками, лишается квалифицированной рабочей силы.
Можно отметить и ряд других недостатков. С целью уменьшения негативных последствий проводят мероприятия организационного и технического характера. На крупных предприятиях организуют параллельные поточные линии, обучают рабочих смежным профессиям, чтобы разнообразить их труд, содержат рабочих универсальных профессий, способных подменить любого рабочего на конвейере.
1.4. Особенности электромашиностроительного производства
Отличительной особенностью производства электрических машин, трансформаторов и других электромеханических устройств является обширная номенклатура выпускаемых изделий, при использовании ряда специфических технологических процессов. В производстве электрических машин используется ряд материалов, не находящих применения в других отраслях. Электрические машины выпускаются, как правило, сериями. Каждая серия имеет определенную область применения и состоит из ряда машин с общими конструктивно-технологическими свойствами.
Наиболее крупными являются серия общепромышленных асинхронных электродвигателей 4А, выпускаемая в настоящее время серия АИ (асинхронный «Интерэлектро», разработана в 80-х годах), машины постоянного тока серии 2П и серии 4П. Асинхронные машины имеют высоту оси вращения от 50 до 355 мм, а машины постоянного тока ‑ от 80 до 500 мм. Электрическая машина одной высоты оси вращения имеет многочисленные исполнения и модификации, число которых достигает нескольких десятков. Серия 4А содержит 16 высот оси вращения, а каждое основное исполнение предусматривает до 25 модификаций, в том числе с фазным ротором, с повышенным пусковым моментом, многоскоростные, малошумные и т.д. Всего в серии более 30000 модификаций. Аналогично построена и серия двигателей АИ, дополняющая и развивающая серию асинхронных двигателей 4А.
В наибольшем объеме выпускаются асинхронные двигатели различных модификаций общепромышленного назначения с высотой оси вращения от 50 до 355 мм. Для выпуска двигателей низких высот оси вращения (до 200 мм) созданы автоматические линии по отдельным видам работ, которые объединяются в единую технологическую систему и образуют технологическую цепочку. Она обеспечивает выпуск практически всех модификаций двигателей в данном интервале высоты оси вращения. До конца 90-х годов прошлого столетия выпуск асинхронных двигателей в каждом интервале обеспечивался практически одним заводом. Такими заводами массового производства асинхронных двигателей были электромашиностроительные заводы в г.г. Лобня (ЛЭЗ), Владимир (ВЭМЗ) и Ярославль (ЯЭМЗ).
В качестве примера приведем среднее количество выпускаемых в конце 80-х годов асинхронных двигателей одной технологической цепочкой в год:
Высота оси
вращения, мм 50 ‑ 63 71 ‑ 100 112 ‑ 132 160 ‑ 200
Производительность,
тыс. шт. 500 300 200 80
С ростом габаритов двигателя уменьшается производительность технологической цепочки. Устанавливая несколько технологических цепочек на заводе, автоматические линии можно перенастраивать на выпуск двух-трех типов деталей и узлов, что позволяет организовать производство нескольких модификаций двигателей с одной высотой оси вращения. На заводах, выпускающих двигатели с большой высотой оси вращения, организовано серийное производство. Заводы крупного серийного производства имеют номенклатуру, состоящую из разнотипных машин.
При производстве электрических машин используются все технологические процессы общего машиностроения: черное и цветное литье, все виды механической обработки, сварку, пайку, резку и т.п. Используются также технологические процессы, присущие только электромашиностроению: холодная штамповка электротехнической листовой стали, лакировка листов, шихтовка сердечников статора и ротора, намотка секций и катушек, укладка и пропитка обмоток, сборка коллекторов. От качества выполнения этих процессов зависят технические показатели электрических машин, их долговечность и надежность.
К материалам, применяемым только в электромашиностроении, относятся: обмоточная электротехническая медь, листовая электротехническая сталь, пропиточные лаки, лакоткани, стеклоткани, пленочные материалы разной толщины, слоистые материалы различного сочетания и т.п.
Специализированные технологические процессы и материалы определяют особый состав оборудования: листоштамповочные автоматы, установки для сборки сердечников, станки для намотки и укладки обмотки, ее бандажировки и пропитки и т.д. Как и в любом производстве, повышение производительности труда в электромашиностроении возможно на основе механизации и автоматизации всех технологических процессов.
1.5. Технологическая документация
В промышленности России действует Единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП), которая своими стандартами устанавливает систему организации и управления процессом технологической подготовки производства и его конкретной реализации. Составной частью ЕСТПП является Единая система технологической документации (ЕСТД), в которой изложены стадии разработки технологических документов, их виды, общие требования к документам и правила их оформления. Разработка технологической документации производится параллельно с разработкой конструкторской документации. Для каждой стадии конструкторской документации разрабатываются соответствующие технологические документы.
К технологическим документам относятся графические и текстовые документы, в которых определяют технологический процесс изготовления изделия, комплектацию деталей, сборочных единиц, материалов, оснастки, маршрут прохождения изделия по службам предприятия.
По виду технологические процессы делятся на единичные и типовые
процессы.
Единичный процесс применяется при изготовлении изделий одного наименования, а типовой может применяться как рабочий для изготовления нескольких наименований деталей или служить информационной основой для разработки рабочего технологического процесса, например, процесс пропитки обмоток, отжига железа листов статора и ротора, обработка вала машины и т.д.
Каждый выпускаемый в обращение документ имеет самостоятельное обозначение. В комплект технологической документации входят следующие основные документы:
‑ маршрутная карта (МК);
‑ карта технологического процесса (КТП);
‑ ведомость деталей к типовому технологическому процессу (ВТП).
Маршрутная карта
заполняется для всех деталей узлов изделия с вариантами конструкторского исполнения и типа производства. Она служит исходным документом для разработки и составления последующих документов и содержит описание технологического процесса по всем операциям. Операции в маршрутной карте располагаются в строгой последовательности с указанием оборудования, оснастки, материальных и трудовых нормативов. Маршрутная карта является обязательным документом.
Карта технологического процесса
содержит описание технологического процесса изготовления изделия по всем операциям одного вида работ, выполняемых в одном цехе в технологической последовательности. Она может, например, содержать описание всех технологических операций механической обработки резанием данной детали.
Ведомость деталей к типовому технологическому процессу
содержит перечень деталей, изготовляемых по типовому технологическому процессу, с указанием трудовых нормативов, технологической оснастки и режимов обработки.
Кроме основных документов в полном комплекте имеются еще документы общего назначения
. К ним относят:
‑ ведомость оснастки (ВО). Содержит перечень технологической оснастки. Записи в ВО производят в соответствии с маршрутной картой в строгой последовательности выполнения технологических операций;
‑ ведомость материалов (ВМ). Содержит данные о заготовках, нормах расхода материала; сюда заносят материалы, записанные в спецификациях сборочных единиц, комплектов и технических требованиях на чертежах;
‑ комплектовочная карта (КК). Содержит данные о деталях, сборочных единицах и материалах, входящих в комплект изделия.
Оформляют еще ведомости расцеховки (ВР), содержащие маршрут прохождения изготавливаемого изделия по службам предприятия; карту эскизов (КЭ); технологические инструкции (ТИ) описания процессов изготовления смол, клеев, компаундов и ряд других документов.
1.6. Порядок разработки технологических процессов
и подготовки производства
Для разработки технологических процессов изготовления изделия необходимо иметь исходные данные. К ним относятся рабочие чертежи изделия, технические условия, определяющие его основные свойства, производственная программа выпуска. Состав и последовательность работ зависят от сложности изделия и типа производства.
Рабочие чертежи должны содержать необходимые данные для изготовления, контроля, приемки, эксплуатации и ремонта изделия.
Производственная программа, т.е. количество изделий, изготавливаемых за определенный промежуток времени, определяет наиболее экономичные способы производства. При выборе средств производства необходимо учитывать потребность в энергоносителях, количество электрической и тепловой энергии, пара, воды, сжатого воздуха. Следует также решить вопрос строительства новых зданий и сооружений, приобретения нового оборудования и модернизации старого, наличие кадров и многое другое. Таким образом, в основу разработки всего производственного процесса положены технико-экономические показатели.
В подготовке производства нового изделия принимают участие все службы предприятия. Рассмотрим порядок подготовки производства по принципиальной схеме управления предприятием, представленной на рис. 1.1. Новое изделие разрабатывается в отраслевом институте или отделе главного конструктора (ОГК). Получив чертежи и исходные данные, службы отделов главного технолога (ОГТ), главного механика (ОГМ), главного металлурга (ОГМт), главного сварщика (ОГС) разрабатывают технологические процессы и всю необходимую документацию.
Следует иметь в виду, что в зависимости от величины предприятия в его структуре управления могут отсутствовать некоторые отделы, функции которых выполняют другие структурные подразделения. Например, на небольших предприятиях часто отсутствуют отделы главного металлурга и главного сварщика, функции которых выполняет отдел главного технолога.
Планово-экономический отдел (ПЭО) разрабатывает план-график выпуска изделия и спускает его в соответствующие отделы. Планово-диспетчерский отдел (ПДО) завода, получив ведомости расцеховки, разрабатывает графики производства деталей, узлов и всего изделия в целом и передает их в цеха предприятия.
СХЕМА ОТДЕЛОВ ПРЕДПРИЯТИЯ
Рис. 1.1. Схема технологической подготовки производства
В отдел материально-технического снабжения (ОМТС) и отдел комплектации (ОК) направляются из отделов главных специалистов ведомости материалов и ведомости покупных изделий. Ведомости инструмента и необходимой оснастки выдаются отделу инструментального хозяйства (ОИХ), который приобретает их на стороне или проектирует и курирует изготовление в цехе нестандартного оборудования (ЦНО). Готовая оснастка и инструмент поступают на склад с последующей передачей цехам. По заданию ОГТ возможно изготовление средств механизации и автоматизации. Отдел механизации и автоматизации (ОМА) проектирует эти средства и передает чертежи в цех нестандартного оборудования (ЦНО) на изготовление.
Стандартное оборудование для строящихся цехов приобретает отдел капитального строительства (ОКС) и устанавливает его согласно требованиям технологического процесса.
В отдел труда и заработной платы (ОТиЗ) выдаются ведомости расцеховки и другая технологическая документация для составления трудовых нормативов и определения факторов экономичности производства изделия.
Таким образом, в цехи основного производства поступают стандартное и нестандартное оборудование, материалы, оснастка, инструмент, плановые задания, графики производства, трудовые нормативы. На их базе производится отработка технологической цепочки выпуска нового изделия.
Контрольные вопросы
1.Что включает в себя производственный п
2. Что такое технологические процесс и операция?
3. Какие составляющие имеет технологическая операция?
4. Что такое коэффициент закрепления операции?
5. Какие существуют типы производств?
6. Какие есть методы организации производства?
7. В чем особенности технологических процессов и организации производства электромеханических устройств?
8. Какие технологические документы необходимы для организации производства?
9. Чем регламентируется состав технологических документов?
10. Каков порядок разработки технологического процесса и организации производства нового изделия?
2 ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
2.1. Литьевые материалы в электромашиностроении
В электрических машинах литые детали составляют 35 – 60% общей массы. Наибольшее применение находят отливки из серого чугуна, стали и алюминия. Широко применяются также изделия из пластических масс, получаемые в большинстве случаев литьем. Изделия из меди, латуни и бронзы изготавливают в основном штамповкой.
Чугун
применяется двух видов – серый и ковкий чугун. Из серого чугуна отливают различные виды корпусов, коробки выводов, станины, щиты подшипниковые, крышки, втулки, шайбы нажимные электрических машин общего назначения. Серый чугун обозначают как СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ30, СЧ35 (ГОСТ 1412-85), где цифра обозначает прочность на сжатие. Серый чугун является самым дешевым из литейных сплавов; обладает способностью рассеивать вибрационные колебания при переменных нагрузках. К недостаткам серого чугуна следует отнести его низкую пластичность и плохие магнитные свойства. Аналогичные детали для взрывобезопасных машин выполняют из высокопрочного (ВЧ) или ковкого чугуна (КЧ), которые обладают повышенной прочностью, но на 30% дороже серого чугуна.
Стальное литье
применяют в электрических машинах в тех случаях, когда необходимы детали с высокими прочностными характеристиками. Из стали отливают корпусы, щиты подшипниковые, детали коллекторов, нажимные фланцы, валы, втулки роторов, нажимные шайбы. Обычные стали обладают хорошими магнитными свойствами и их используют в качестве магнитопроводов (например, станины машин постоянного тока, сердечники электромагнитных реле и т.д.).
Для магнитопроводов необходимо выбирать сталь с содержанием массовой доли углерода менее 0,25%. В случае изготовления сварных изделий необходимо брать сталь с содержанием массовой доли углерода более 0,18%. Стальные отливки на 50% дороже, чем отливки из серого чугуна.
Алюминий
обладает прекрасными литейными свойствами, высокой электропроводностью и достаточно прочен. При производстве электрических машин из алюминиевых сплавов отливают корпусы и щиты подшипниковые машин небольшой мощности, крышки, коробки выводов, вентиляторы и многое другое. Для отливки корпусов, подшипниковых щитов, вентиляторов используют алюминий марок Ал2 (алюминиево-кремниевый сплав). Для отливки крупных деталей сложной конфигурации используется сплав Ал11 (алюминиево-кремнисто-цинковый), а для деталей, требующих повышенной герметичности, сплав Ал9 с добавкой магния.
Преимуществом алюминиевых сплавов является малая плотность, высокая коррозионная стойкость, хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием. Высокая электропроводность и прекрасные литейные свойства сделали алюминиевые сплавы незаменимыми при изготовлении обмоток роторов асинхронных двигателей, выполняемых заливкой расплавленного алюминия. Наиболее прогрессивный способ алюминиевого литья под давлением дает высокую точность размеров деталей (± 1%), хорошее заполнение пустот, возможность получения отливок сложной конфигурации.
2.2. Виды литья
Способ получения заготовок методом отливки их имеет большие возможности по сравнению с другими, например резкой, ковкой, штамповкой. Можно изготовить из различных сплавов отливки разных габаритов, сложной формы и различным качеством поверхности. Это тем более важно, что некоторые сплавы нельзя ковать, штамповать и подвергать ударным нагрузкам. Применение литья позволяет снизить объем механической обработки, уменьшить расход металла в стружку, увеличить производительность и т.д. Отливка образуется путем заливки расплавленного металла в форму, образующую в основном наружные стенки детали. Внутренние полости, отверстия и другие элементы сложных изделий образуются с помощью стержней, имеющих вид простых геометрических фигур. Набором стержней можно получить отливки сложной формы.
Литье в песчано-глинистые формы
является наиболее древним способом получения отливок. Они выполняются из специальных смесей в виде двух полуформ, которые составляются вместе и образуют единый объем для заливки расплава. В верхней полуформе делают заливочную воронку литник
и каналы для выхода воздуха и газов. Верхняя часть канала, отводящего газы, которая не входит в объем литой детали, называется прибылью
. После остывания металла литник и прибыль должны быть удалены. Детали больших габаритов и весом до десятков тонн льют в формы, которые выполняют прямо в полу формовочного цеха. Форму для деталей небольших размеров делают в опоках, представляющих собой ящики, собираемые из пластин, образующих стенки и дно опоки. Формовка осуществляется по моделям и шаблонам. Модель часто выполняется из дерева и повторяет объемные очертания будущей детали. Шаблоном называют профильные доски, которой формуют в песчано-глинистой смеси необходимую поверхность. При большом количестве и простой форме выпускаемых изделий формовка осуществляется с помощью формовочных машин по модельному комплекту.
Процесс изготовления литой детали включает в себя изготовление модели или специальных шаблонов, приготовление формовочной смеси, выполнение полуформ с литниками и газовыми каналами, сборку полуформ, заливку форм расплавом. Некоторое время выдерживают изделие для застывания, а затем производят выбивку форм, т.е. разрушение формы для извлечения готовой детали. Далее очищают поверхности от остатков формовочной смеси металлическими щетками или с помощью пескоструйной машины, обрубают остатки литниковой системы, прибыли и облой. Облоем называют металл, застывший в зазоре между полуформами.
Литейное производство очень трудоемкое и вредное, поэтому его всегда стремятся механизировать и уменьшить долю ручного труда. Литье в песчано-глинистую форму позволяет получить детали сложной формы и уникальной конфигурации. При большом объеме производства применяют более прогрессивные методы образования форм и литья.
Оболочковая форма
получается из смеси песка с термореактивными смолами, которые при нагревании обволакивают частицы песка. Полученная смесь наносится на шаблон и запекается при температуре 300 – 350о
С. Оболочка снимается с шаблона и соединяется с другой частью. В результате образуется необходимая для заливки расплава форма. При извлечении готовой детали оболочка разрушается. Метод малопроизводителен и применяется для литья мелких деталей сплошного объема.
Литье по выплавляемым моделям
применяется для получения изделий сложной формы. Модель изделия выполняется из легко выплавляемого материала, например из смеси парафина, воска и других добавок. Затем модель покрывают несколькими слоями огнеупорной смеси, образующими прочную оболочку детали. Далее выплавляют легкоплавкую модель, а оболочку запекают или прокаливают в печи. Полученную форму используют для заливки расплавом. Способ сложен, дорог и применяется только при необходимости для отливки деталей сложной формы. В электромашиностроении не применяется.
Центробежное литье
используется для получения отливок с осевой симметрией с целью лучшего заполнения формы или получения двухслойных структур из разных материалов. При центробежном литье может отсутствовать литниковая система и деталь получается более прочной.
Литье в кокиль
широко применяется в массовом и крупносерийном производстве. Оно позволяет механизировать и автоматизировать процессы литья, повысить производительность труда, улучшить его условия. Кокилем называют разъемную литейную форму, которая используется для получения отливки много раз. Он выполняется из металла, имеющего более высокую температуру плавления, чем расплав. В теле кокиля делают охлаждающие его каналы, в которых циркулирует вода или газ. Внутреннюю поверхность кокиля покрывают специальной обмазкой, состоящей из жидкого стекла, мела и асбестовой крошки.
Сложные детали льют в разъемных кокилях с вертикальной или горизонтальной плоскостью разъема. В настоящее время в электромеханике используют и четырех секционные кокили, позволяющие отливать станины с ребрами охлаждения в двух плоскостях и с коробкой выводов. Кокили дороги в изготовлении, но выдерживают многократную заливку расплавом и позволяют получить детали высокой точности и чистоты поверхности. Для лучшего заполнения кокиля применяют метод центробежного литья и литья в вибрирующий кокиль. Вибрация создается электромагнитным или двигательным вибратором.
Литье под давлением
позволяет получить хорошее заполнение тонкостенных отливок и отливок сложной формы, например пазов короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя. Расплав подается в форму под большим давлением, до сотен атмосфер. Давление создается поршнем или сжатым воздухом при вертикальной подаче расплава. Камеры прессования могут быть холодными и горячими. Недостатком способа является сложность изготовления разъемной формы, создание специальной разливочной машины, наличие в отливке газов, которые не успевают выйти из ее тела. Однако, высокая точность детали и чистота поверхности значительно сокращают затраты на механическую обработку или исключают ее, что делает способ экономически выгодным. Машины литья под давлением легко вписываются в единый технологический процесс.
2.3. Особенности конструирования литых деталей
2.3.1. Толщина стенок литых деталей
Стенки литых деталей (щитов, фланцев, корпусов) обладают неодинаковой прочностью в поперечном сечении из-за различий условий кристаллизации. Прочность максимальна в поверхностном слое, где вследствие повышенной скорости охлаждения металл приобретает мелкокристаллическую структуру и где образуются благоприятные для прочности остаточные напряжения сжатия. В поверхностном слое чугунных отливок преобладает перлит и цементит. Сердцевина имеет крупнокристаллическое строение с преобладанием феррита и графита, так как ее остывание происходит медленно. Чем массивнее отливка, тем больше разница между прочностью сердцевины и поверхностного слоя.
По этим причинам целесообразно выполнять стенки отливок наименьшей толщины, которая допускается условиями литья и прочностью детали. На рис. 2.1 приведены графики минимальной толщины стенок S, мм, для различных литейных сплавов в зависимости от приведенного габаритного размера детали N, мм, где
,
где a, b, h– соответственно длина, ширина и высота детали, мм.
Рис. 2.1. Зависимость толщины литой стенки от приведенного габаритного размера:
1 – стали; 2 – чугуны серые; 3 – алюминиевые сплавы
Графики даны для наружных стенок. Толщину внутренних стенок и ребер делают в среднем на 20% меньше, чем толщина внешних корпусных стенок, которые в основном и определяют прочность отливки.
2.3.2. Сопряжение стенок
Для одновременного затвердевания наружных и внутренних стенок отливки толщину внутренних стенок берут равной приблизительно 0,8 S, где S– толщина базовой наружной стенки. Переходы от стенки к стенке следует выполнять с галтелями. Радиус сопряжения зависит от вида сопрягаемых стенок. При сопряжении наружных стенок под прямым углом (см. рис. 2.2,а) вследствие концентрации теплового потока во внутреннем угле соединения образуется горячий узел, замедляющий остывание. Кроме того, это препятствует равномерной усадке металла, что способствует возникновению больших внутренних напряжений. Направления теплового потока при остывании показаны стрелками. На рис. 2.2,б показано, что плавный переход при соединении стенок способствует уменьшению концентрации теплового потока во внутренней области сопрягаемых стенок.
При выполнении сопряжения наружных стенок под прямым углом целесообразно выполнять скругление радиусом R = (2,0 – 2,5)S со смещенным центром (рис. 2.2,в), т.е. радиус сопряжения остается неизменным для наружного и внутреннего углов, а центр радиуса смещается по биссектрисе угла. Для улучшения теплоотдачи, повышения жесткости и предупреждения усадочных трещин полезно делать небольшие внутренние ребра, как показано на рис. 2.2,г. Во всех случаях, когда позволяет конструкция, целесообразно применять максимальные радиусы переходов, допускаемые конфигурацией детали. Не допускается соединение стенок под острым углом, так как это создает большой массив материала, возникновение больших напряжений во внешней части угла и, как следствие, появление в ней трещин.
На рис. 2.2,д показаны рекомендуемые радиусы скруглений для Т-образных сочленений, а на рис. 2.2,е для соединения стенок с фланцами. Здесь S0
= 0,5 (S1
+ S2
).
На рис. 2.2,ж-и показаны формы сопряжения стенок с бобышками, которые выполняются для создания элементов крепления различного рода. Величина бобышки определяется диаметром выполняемого отверстия d и его глубиной. Указанные величины радиусов сопряжения являются минимальными. Часто сопряжения выполняют радиусом R = (3 – 5)S. Найденные из приведенных соотношений значения радиусов в миллиметрах округляют до нормированных величин.
R = 1, 2, 3, 5, 8, 10, 15, 20, 25 и т.д.
Рис. 2.2. Виды сопряжений стенок отливок
2.3.3. Фланцы и отверстия
Толщина фланца зависит от толщины стенки, у которой он отливается. Фланец должен быть прочным, но излишняя его толщина
может привести к короблению стенки и плоскости сопряжения фланца с другой плоскостью. При толщине стенки изделия S толщину фланцев, обрабатываемых с одной стороны, делают в среднем равной (1,5 – 1,8)S; обрабатываемых с двух сторон – (1,8 – 2,0)S. Обработка с двух сторон ослабляет фланец.
Рис. 2.3. Выполнение фланцев и отверстий в них
√ – обозначение обработки данной поверхности
На рис. 2.3 приведены соотношения толщины фланцев в зависимости от их возможного исполнения. Для повышения прочности и жесткости фланцы соединяют со стенками ребрами жесткости (см. рис. 2.3,в) или придают фланцам коробчатые формы как показано на рис. 2.3,г).
Часто во фланцах, да и в других элементах литых деталей, необходимо выполнить отверстия. Отверстия с малой величиной диаметра отлить затруднительно, так как специальные вставки, называемые стержни
, коробятся при малой их толщине и большой длине. Для определения минимального диаметра отверстия dmin
, мм, получаемого отливкой, можно пользоваться формулой
dmin
= d0
+ 0,1h, (2.1)
где d0
– минимально допустимый диаметр отверстия для данного материала сплава, мм; h– длина отверстия, мм.
Для алюминиевых сплавов минимальный допустимый диаметр d0
составляет 5 мм, для чугуна – 7 мм; для сталей – 10 мм. Отверстия меньшего диаметра следует сверлить.
2.3.4. Отливка ребер
Для увеличения жесткости, прочности и увеличения поверхности охлаждения применяют оребрение корпусов машин. Основными размерами ребра являются его толщина Sр
у верхушки и высота h. Для ребер с высотой 20 – 80 мм существует норма уклонов. Основание ребер соединяют со стенкой галтелями радиусом R, который равен половине размера стенки S. При охлаждении ребро затвердевает ранее всего массива детали, что ведет к появлению в нем напряжений сжатия, а они благоприятны для повышения прочности ребра и всей детали в целом. Внутренние ребра выполняют как ребра жесткости, а не ребра охлаждения. Поэтому они имеют малую высоту. Для целей охлаждения используются наружные ребра, высота которых обычно составляет (3 – 6)S. Более высокие ребра плохо отливаются. Толщину наружных ребер при вершине делают равной (0,6 – 0,7)S.
2.3.5. Усадки
Известно, что большинство металлов имеет меньшую плотность в расплавленном состоянии и большую в твердом. Есть и исключения из этого правила. Изделия из черного металла и алюминия при остывании сжимаются, что вызывает изменение их размеров – усадку.
Усадкойназывают сокращение размеров отливки при остывании. Различают линейную и объемную усадку. Линейная усадка в процентах
, (2.2)
Где L – размер отливки при температуре затвердевания металла tС
(точка солидуса); L0
– размер отливки после остывания до цеховой температуры t0
; a– среднее значение коэффициента линейного расширения в интервале температур (tС
– t0
), град–1
.
Коэффициент линейного расширения, для каждого металла имеет характерную величину, например:
чугуны серые 0,010 – 0,012 чугуны высокопрочные 0,015 – 0,018 |
стали углеродистые 0,018 – 0,020 алюминиевые сплавы 0,010 – 0,014 |
Усадку металла учитывают корректировкой размеров формы детали, моделей. Форма отливки должна облегчать усадку. В дисковом подшипниковом щите электрической машины с массивным фланцем под посадку подшипника диск застывает раньше и тормозит усадку: В диске развиваются напряжения сжатия, во фланце – напряжения растяжения. Для уменьшения усадочных напряжений целесообразно щиту придать коническую, сферическую или овальную форму, а в местах перехода фланца к стенкам можно выполнить ребра жесткости, как это показано на рис. 2.5.
а) б) в)
Рис. 2.5. Формы щита подшипникового
Сводчатые, арочные, выпуклые, скорлупные формы уменьшают усадочные напряжения, улучшают условия охлаждения отливки и увеличивают прочность деталей. Повышается жесткость конструкции, что особенно важно для отливок из сплавов с низким модулем упругости, характерным для серых чугунов, и сплавов алюминия.
2.3.6. Особенности проектирования отливок
Из всего выше сказанного вытекает, что проектирование литых изделий имеет свои особенности, которые необходимо учитывать для получения качественного изделия. При проектировании отливок нужно придерживаться следующих правил:
‑ стенки отливок должны иметь по возможности одинаковую и равномерную толщину, величина которой определяется видом объекта и материала отливки;
‑ переходы между стенками отливки должны быть плавными, сами стенки не должны иметь резких изломов, только плавные переходы. Сопряжение стенок под острыми углами нецелесообразно;
‑ нужно избегать скопления металла, утолщений и массивов, образующих горячие узлы. На участках, где массивы неизбежны, следуют технологически обеспечить ускоренное охлаждение;
‑ участки соединения стенок с массивами иногда целесообразно укреплять ребрами;
‑ ребра жесткости и охлаждающие должны быть расположены ниже обрабатываемой рядом с ними поверхности на 3 – 6 мм;
‑конфигурация детали должна обеспечивать простой разъем литейной формы, что позволяет применять в поточных линиях литейные машины, осуществлять автоматизацию и механизацию литейных работ;
‑ тепловые напряжения в деталях следует устранять специальной стабилизирующей термической обработкой. Например, чугунные отливки подвергают искусственному старению, выдерживая их 5 – 6 часов при температуре 500 – 550°С, с последующим медленным охлаждением в печи. Окончательную механическую обработку проводят после старения.
Экструзия
является особым методом получения деталей, который во многом сходен с литьем. Он хорошо реализуется при использовании легкоплавких материалов, в частности алюминия. Под экструзией понимают выдавливание из рабочего цилиндра нагретого до пластического состояния металла через отверстие матрицы. В отверстие матрицы вводят специальные профильные вставки, которые называются дорны
. Дорны могут иметь сложную форму, что позволяет получить соответствующее изделие. Особенно хорош данный метод для получения длинных трубчатых конструкций.
Метод экструзии позволяет получать станину электрической машины требуемой длины вместе с ребрами охлаждения. Фактически станину отрезают от общей заготовки, что очень удобно при производстве электрических машин с одинаковым наружным диаметром сердечника статора, но разной длины. Это используется при производстве асинхронных двигателей небольшой мощности, станина которых выполняется из алюминия.
Сходство с процессами литья заключается в требовании высокой температуры для осуществления процесса, усадке после остывания и возможном короблении изделия, необходимости дальнейшей механической обработки посадочных поверхностей.
2.4. Литейные базы
Литейной или черновой базой называют поверхность или ось, относительно которой производят первую операцию механической обработки. Поверхностная черновая база представляет собой необрабатываемую поверхность достаточной протяженности, параллельную или перпендикулярную к поверхности, механически обрабатываемой при первой операции. Конфигурация черновой базы должна обеспечивать удобное и устойчивое крепление детали при механической обработке. Затяжка детали по базе не должна вызывать коробления заготовки. На рис. 2.6 показано расположение баз и обрабатываемых поверхностей щита подшипникового.
Рис. 2.6. Виды черновых баз:
– черновая база (поверхностная база 1, осевая 2;
– база механической обработки (осевая база);
– удаление металла при первой механической обработке;
– последовательность операций при механической обработке детали
Для черновой базы нельзя использовать поверхность, подвергаемую механической обработке. Однако, при дальнейшей обработке детали черновая поверхностная база может быть безвозвратно уничтожена механической обработкой относительно другой базы установки детали на станке. От базы механической обработки координируют все остальные механически обрабатываемые поверхности.
В общем случае литейных баз должно быть три – по одной для каждой из осей пространственной системы координат. Осевыми базами
являются оси отверстий. Поверхностная база
,
перпендикулярная базовой оси плоскость, определяет размеры детали вдоль базовой оси. Таким образом, основными являются поверхностные базы. Осевые базы могут быть только у тел вращения.
Тела вращения имеют только две базы: осевую, совпадающую с осью тела вращения, и высотную, определяющую размеры вдоль оси. При механической обработке заготовки фиксируют чаще всего по осям отверстий и по поверхностной базе. При наличии осевых баз у детали литейные базы и базы механической обработки совмещаются. Общей базой служит ось отверстия, выбранного в качестве базового.
2.5. Простановка размеров на чертежах литых деталей
Простановка размеров на чертежных литых деталей должна отражать расположение литейных баз и баз механической обработки, а также учитывать допустимые отклонения размеров при отливке и обработке детали. Если обрабатываемые поверхности связать с черновыми, то добиться точного расположения обрабатываемых поверхностей друг относительно друга будет невозможно. Допустимый разброс полей допусков размеров литых поверхностей детали на порядки больше, чем они могут быть у механически обрабатываемых поверхностей.
Основные правила простановки размеров литых деталей следующие:
‑ необрабатываемые поверхности следует привязывать к литейной черновой базе непосредственно или с помощью других размеров, связывающих литые поверхности;
‑ исходную базу механической обработки следует привязывать к черновой литейной базе; все остальные размеры механически обрабатываемых поверхностей привязывают к базе механической обработки непосредственно или с помощью других размеров.
Привязывать литейные размеры к размерам механически обрабатываемых поверхностей или наоборот недопустимо, за исключением случая, когда литейная база и база механической обработки совпадают, что может быть у осевых баз. Приведенные правила необходимо соблюдать для всех трех координатных осей отливки.
Пример принципиальной простановки размеров отливки показан на рис. 2.7, на котором изображен эскизный чертеж щита подшипникового асинхронной машины. На примере показана система размеров литейных поверхностей и механически обрабатываемых, которые объединяются только одним размером (60), связывающим литейную базу с базой механической обработки. Приведенные размеры не являются исчерпывающими и даны только в качестве примера.
Рис. 2.7. Пример простановки размеров необрабатываемых поверхностей
* ‑ размеры, связывающие необрабатываемые поверхности
Контрольные вопросы
1. Какие литейные материалы применяют для отливок в электромашиностроении?
2. Какие известны виды получения отливок?
3. Как получают форму для отливки деталей?
4. Как определяется толщина стенок отливки?
5. Как следует выполнять сопряжение стенок отливки?
6. В чем опасность массивов, как следует конструировать массивы при необходимости их использования?
7. В чем заключаются особенности отливки фланцев и отверстий в них?
8. Как конструируются ребра охлаждения и ребра жесткости отливок?
9. Что такое усадка отливки, какие меры применяют для борьбы с усадкой?
10. Что такое экструзия, ее применение в электромашиностроении?
11. Почему литье под высоким давлением получило широкое распространение в электромашиностроении?
12. В чем особенности статического литья?
13. В чем особенности центробежного и вибрационного литья?
14. Каких правил следует придерживаться при проектировании деталей, получаемых литьем?
15. Что такое базы, какие виды баз известны?
16. Каковы основные правила простановки размеров на детали, получаемой отливкой и подвергаемой в дальнейшем механической обработке?